Wissenschaftliche Untersuchungen beschreiben und bewerten und Möglichkeiten finden, Fragen wissenschaftlich zu bearbeiten, wie z. B. das Identifizieren naturwissenschaftlicher Fragestellungen.

Der OECD-Durchschnitt wird aus den Mittelwerten der 35 OECD-Länder berechnet. Die Mittelwerte  der OECD-Länder fließen, unabhängig von der Größe des Landes, zu gleichen Anteilen in diesen Wert ein. Der OECD-Durchschnitt gilt als Referenzwert, mit dem die durchschnittlichen Leistungswerte der einzelnen Länder verglichen werden.

Der OECD-Durchschnitt (34) wird aus den Mittelwerten der 34 OECD-Länder berechnet, für die seit PISA 2006 durchgehend Daten aus allen drei Bereichen zur Verfügung stehen. Für Lesekompetenz stehen die Daten für dieselben 34 OECD-Länder erst seit 2009 zur Verfügung. Der OECD-Durchschnitt (34) gilt als Referenzwert bei der Trendanalyse in diesem Bericht.

Erklärungen für eine Reihe natürlicher und technologischer Phänomene erkennen, liefern und bewerten, wie z. B. das Zustandekommen von Tag und Nacht.

Physikalische Systeme beziehen sich auf Wissen über die Struktur und Eigenschaften von Materie (einschließlich ihrer chemischen Eigenschaften), chemische Reaktionen, Bewegungen und Kräfte, magnetische Felder, Energie und ihre Umwandlung sowie Wechselwirkungen von Energie und Materie.

Für jeden Testbereich bei PISA wurde zum Zeitpunkt, als dieser zum ersten Mal im Schwerpunkt stand (2000 – Lesekompetenz, 2003 – Mathematik, 2006 – Naturwissenschaften) ein Mittelwert von 500 und eine Standardabweichung von 100 bezogen auf die OECD-Länder festgelegt. Diese Werte haben sich seitdem leicht verändert. Der OECD-Mittelwert ist der Wert, den die Schülerinnen und Schüler im Durchschnitt aller OECD-Länder erreichen. Die OECD-Standardabweichung ist der Wertebereich, indem zwei Drittel aller OECD-Schülerinnen und -Schüler liegen.

Prozedurales Wissen bezieht sich auf das Wissen über Verfahren und Methoden, die für naturwissenschaftliche Forschung wesentlich sind und die die Erhebung, Analyse und Interpretation von naturwissenschaftlichen Daten unterstützen (Wissen über Testdesign, Messfehler, Kontrolltechniken).

Epistemisches Wissen bezieht sich auf ein Verständnis über die Art und den Ursprung von naturwissenschaftlichem Wissen und beschreibt die Fähigkeit, argumentativ zu denken und zu diskutieren (z. B. die Aussagekraft experimentell gewonnener Ergebnisse beurteilen, den Unterschied zwischen Beobachtung, Fakt, Hypothese, Modell und Theorie erkennen).

Prozedurales Wissen bezieht sich auf das Wissen über Verfahren und Methoden, die für naturwissenschaftliche Forschung wesentlich sind und die die Erhebung, Analyse und Interpretation von naturwissenschaftlichen Daten unterstützen (Wissen über Testdesign, Messfehler, Kontrolltechniken).

Das luxemburgische Schulsystem zeichnet sich durch eine leistungsorientierte Gliederung in verschiedene Schulformen aus. Unterschieden werden das Enseignement Secondaire (ES), das Enseignement Secondaire Technique (EST) und das Enseignement Secondaire Technique – Régime Préparatoire (EST-PREP).

Das naturwissenschaftliche Selbstkonzept erfasst, wie fähig sich ein/e Schüler/in generell in den naturwissenschaftlichen Fächern einschätzt. Ein Beispielitem lautet: „Ich lerne neuen Stoff in den naturwissenschaftlichen Fächern schnell“. Für die Auswertung wurden die Kategorien „stimme eher zu“ und „stimme völlig zu“ zusammengefasst.